CN104412729A - 印制电路板向装配线的分配 - Google Patents
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Abstract
装配系统包括多个用于用电子元件来装配印制电路板的装配线。用于将印制电路板分配给装配线的方法包括步骤：检测分别用分配的元件来装配多个印制电路板的要求，以及借助整数线性规划在预先确定的规定下将印制电路板分配给装配线。接着，基于该分配确定装配线的装备群组并且一直重复该分配，直至标准达到预先确定的阈值，其中该标准基于装配线的装备群组数目来形成。在此，装备群组包括不同元件的集合，可以用这些元件装备装配线，以便装配预先确定集合的印制电路板。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将印制电路板分配到用于用元器件装配印制电路板或其他组件的装配线上的方法。此外，本发明还涉及一种用于用元器件装配印制电路板的制造线或安装线的控制装置。本发明还涉及计算机程序产品和计算机可读介质。
背景技术
尤其是在电子产品领域中，要制造的印制电路板或组件在SMT装配线上通过表面安装（surface mounted technology , SMT）被制造。但是由于技术限制不能在每个装配线上制造每个印制电路板。这些印制电路板在装配线上大多具有不同的生产时间。此外，不允许超过装配线的最大生产时间容限。
DE 10 2009 013 353 B3示出了用于装备这样的装配线的方法。
印制电路板向装配系统的装配线上的分配通常基于经验值或启发法手动或半自动地进行。在此在实践中已经表明：再三地做出不平衡的分配，这种不平衡的分配引起装配线的一个组件具有高负荷而另一组件具有低负荷，使得装配系统不能被最佳地使用。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于将印制电路板分配到装配线上的改进的技术。
该发明借助具有独立权利要求特征的方法、计算机程序产品和装配系统来解决该任务。从属权利要求再现了优选的实施方式。
装配系统包括多个用于用电子元件来装配印制电路板的装配线。用于将印制电路板分配给装配线的本发明方法包括步骤：检测分别用分配的元件来装配多个印制电路板的要求，以及借助整数线性规划在预先确定的规定下将印制电路板分配给装配线。接着，基于该分配确定装配线的装备群组并且一直重复该分配，直至标准达到预先确定的阈值，其中该标准基于装配线的装备群组数目加以形成。
在此，装备群组被确定为以下印制电路板的集合：所述印制电路板可以在装配线上被装配，而不改变在装配线上准备好用于装配的元件类型的集合。在装配线上准备好的元件类型的集合也被称为装备（Rüstung）。通常假定在装配线上始终准备有足够多的每种元件类型的元件。
通常，比由一个装备群组能够包含的印制电路板多的印制电路板被分配给装配线，因为在该装配线上不能准备好任意多的元件类型。该装配线因此不时地遭遇装备更换，在装备更换时，第一装备群组的装备相对第二装备群组的装备被更换。装备更换越少发生并且在装备更换时需要被更换的元件类型越少，则装配系统可以越低成本地运行。
已经表明：在装配系统中所使用的全部装备群组的数目可以是例如比装配线的元器件差异更切合实际的质量指标。装配线的元器件差异在此通过要被装配到印制电路板之一上的不同元件的数目来给出，其中这些印制电路板被分配给了该装配线。该方法因此可以确定印制电路板向装配线的分配，所述分配允许整个装配系统的改善的负荷。
此外，该方法可以灵活地适配于装配系统的操作者的期望或实际情况。通过使用整数线性规划可以实现全局的优化方案。可轻易地实现该方法的扩展。用于借助整数线性规划实施优化的运行时间环境可以以商业产品（例如Ilog或Xpress）的形式被提供。这种所谓的标准求解程序持续地被改善，使得可以期待：借助所描述的方法的分配在未来还可以更快和/或进一步优化地被执行。
所描述的方法可以允许在相对较短的运行时间内实现印制电路板至装配线的非常好的分配。该方法与其他优化方案相比可以在结果品质或所需运行时间方面带来改善的结果。此外，还可以借助该方法将印制电路板分配给装配线，这种分配允许平衡的装备群组数目和数目增长的固定更换台的形成。
为了确定装备群组，优选地调用与整数线性规划分离的方法。通过与整数线性规划的分离以及评估标准的确定可以避免：整数线性规划要处理太复杂的分配问题并且因此要么为了建立分配而需要太长时间、要么所建立的解不够好。
然而如果求解程序足够高效，也可以在另一实施方式中借助整数线性规划直接在装配线的装备群组数目的最小化方面进行该分配。
在一种实施方式中，该标准包括如下条件：每个装配线的装备群组数目大于预先确定的阈值。借助整数线性规划的优化的收敛可以由此被加速。
在另一实施方式中，该标准包括条件：每个装配线的装备群组数目小于预先确定的阈值。由此可以防止装配线之一被过高地负荷。
在不同的变型方案中，上述预先确定的阈值中的一个或两个可以单独地针对装配线中的一个或多个来加以预先确定。被证实为有意义的阈值的经验值可以由此被考虑。
在一种实施方式中，该标准包括条件：在每个装配线的装备群组数目之间的差别处于预先确定的阈值之下。印制电路板向装配线的分配因此可以如下地被优化，装配线具有尽可能相同数目的装备群组。通过放大或者缩小预先确定的阈值可以以改善的方式选择分配的高质量和该方法的运行时间的折衷。该阈值在一种实施方式中也可以为零。在另一实施方式中，该标准也可以包括在各个装配线的装备群组数目之间的量化的差别。在该情况下，印制电路板向装配线的分配可以也在尽可能小的差别的方面通过重复迭代该方法被优化。
在又一实施方式中，如果将小数目的印制电路板或小的路径消耗指配给一个装备群组，则阻止该装备群组的印制电路板向装配线的分配。针对该数目的印制电路板和路径消耗可以分别说明一个阈值，处于该阈值之下的各值被认作“小的”。在装配线上被设置用于储存不同的元件的装置在此包括预先确定数目的路径，这些路径通常分别为8mm宽。由此可以强制所涉及的装备群组的印制电路板被新分配给另一装配线。
与此类似地，也可以将印制电路板向装配线的分配固定，其方式是：如果对应装备群组被指配了高数目的印制电路板或者高的路径消耗，则阻止已经进行的分配的改变。这里也可以说明阈值，处于该阈值之上的各值被认作“高的”。印制电路板向装配线的分配的优化可以由此被加速或改善。
本发明的计算机程序产品包括程序代码装置，用于当其在实施装置上运行或者在计算机可读介质上存储时，执行所描述的方法。所述计算机程序产品可以以常见的编程语言（例如C++、Java）产生。所述处理装置可以包括市面上常见的带有相应输入装置、输出装置和存储装置的计算机或者服务器。
本发明的用于将印制电路板分配至装配系统装配线的控制装置被设立用于执行上述方法。
附图说明
本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现其的方式和方法，结合实施例的以下描述被更清晰和更明确地理解，所述实施例结合附图被更详细地阐述，其中：
图1示出了装配系统；
图2示出了图1中装配系统处的装备群组的图解；并且
图3示出了借助整数线性规划的优化方法的流程图。
具体实施方式
线性优化是数学优化领域中的主要方法之一，并且其研究通过集合来优化线性目标函数，所述集合通过线性等式和不等式加以限制。线性优化是（混合）整数线性优化的求解方法的基础。
线性优化的优点：
- 全局的优化方案。
- 可轻易扩展。
- 非常好的商业标准求解程序（SCIP、CPLEX、Ilog、Xpress），其在实际中被广泛传播并且被证明为可行的。
- 针对所求得的解已知其距最优解的最大距离有多远（Gap）。
图1示出了装配系统100。所述装配系统100包括多个装配线110和一个控制装置115，所述控制装置用于将印制电路板120分配至装配线110。每条装配线110通常包括运送系统125和一个或多个装配自动机130。每个装配自动机130包括一个或多个装配头135，所述装配头分别被设立用于从固定台140或可变台145拾取元器件，并且将元器件定位在印制电路板120上的预先确定的位置上，其中所述印制电路板处于运送系统125上。
在装配过程期间，印制电路板120关于装配自动机130通常是静止的。台140、145分别包括大量输送装置150，仅其中一个被示例性地示出。每个输送装置150准备好预先确定类型的元件155的储备。虽然每个输送装置150可以被配置用于准备好不同元件155并且将不同输送装置150安装在台140、145上，然而当元件155必须被供应给装配自动机130，其中所述元件并不在所安装的台140、145之一上暂时提供时，这些台140、145因为速度原因通常被完全地替换。
因为这样的更换通常与生产停顿相关联，所以力求将要更换的台140、145的数目保持得小。如果一个台在改换装备过程期间不被替换，则该台被称为固定台140，否则被称为可变台145。此外，固定台140和可变台145之间并没有功能性差别。
印制电路板120被装配以一定数目的不同元件155。为了使得频繁更换的可变台145最小化并且理想情况中使得固定台140的数目最大化，控制装置115被设立用于优化印制电路板120向装配线110之一的分配。在此，通常必须与考虑印制电路板120或要装配在其上的元件155的特性完全一样地考虑每个装配线110或每个装配自动机130的特定特性。
图2示出了也被称为“簇”的装备群组的图解200。考察第一印制电路板205、第二印制电路板210和第三印制电路板215，它们分别相应于图1的装配系统100中的印制电路板120之一。元件155的第一集合220被分配给第一印制电路板205，元件155的第二集合225被分配给第二印制电路板210，元件155的第三集合230被分配给第三印制电路板215。以示例性方式，集合220至230分别包括五个不同元件类型，各元件类型的元件155以不同数目而被使用。一种元件类型的元件155在所考察的方法200的范畴中彼此是不可区分的。因此，元件类型的集合235至245被分配给元件155的集合220至230。在集合235至245中，所分配的集合220至230的每个元件155仅再出现一次。
装备群组包括被分配用于在装配线100上进行装配的那些印制电路板120。在图2的例子中，将印制电路板205和210分配给相同的装配线110并且形成第一装备群组250。第一装备群组250因此需要带有分别分配给印制电路板205和210的集合235和240的合并集合的元件类型的第一装备260。在所描述的例子中，第一装备260包括六种元件类型。在准备好第一装备260的元件类型的情况下，第一装备群组250的印制电路板205和210可以在装配线110上不改换装备地被装配。
第三印制电路板215被分配给另外的装配线110并且独自形成第二装备群组255。分配给第二装备群组255的第二装备265包括五种元件类型。
如果集合220和225包括相同元件类型的多个元件155，则第一装备260也仅仅包含少量的不同元件类型。通常尝试：将印制电路板120指配到装备群组250，255，使得可以用装配线110处理尽可能多的不同印制电路板120。
第三印制电路板215被分配给另一装配线110并且独自构成第二装备群组255。被分配给第二装备群组255的第二装备265包括五个元件类型。
如果第三印制电路板215被分配给与印制电路板205和210相同的装备群组，则被分配给所得到的装备群组的装备包含有集合235至245的合并集合的元器件类型，在本例中即七种元器件类型。如果装配线110例如仅具有用于六种不同元件155的容纳容量，则这样形成的装备群组不能分配给装配线110或者说第三印制电路板215不再适于被分配给装配线110的装备群组。
需要装备更换，以便将另外的装备群组的印制电路板120在装配线110上装配。在此，通常一个或多个输送元件、尤其是在装配线110的装配自动机130上的可变台145或运送器150被更换。
装备更换的次数可以减少并且固定台140的数目可以增大，其方式是：减少装配线110的装备群组250、255的数目。这可以通过合适地将印制电路板120分配给装备群组250、255来实现。因此，在后面参照图3更确切地阐述印制电路板120向装备群组250、255的分配优化。
在图3中以流程图的形式示出了用于将印制电路板120分配给装配线110的方法300。
步骤305：首先确定印制电路板120向装配线110的起始分配并且将当前分配与起始分配等同。为了求得起始分配，可以使用各种启发法，这些启发法也可以包括手动规定或限制。
步骤310：接着从要分配的印制电路板120中选择印制电路板的子集。所述选择通常进行为使得在相继执行方法300时选择出不同的子集。
步骤315：其后，优选借助整数线性规划形成所述子集的印制电路板120向装配线110的一个或多个可代替的分配。这些分配参照图2来进行，使得关于所有装配线110的装备群组250、255的数目之和被最小化。也可以使用多个单个标准的加权标准来用于分配，使得另外的参数也可以被尽可能地最小化或者尽可能地最大化，以便实现优化的分配。
步骤320：这里确定了确定的分配的质量，其方式是形成单个或组合的标准。该标准基于装配线110的装备群组的数目来形成。为此，在一种优选的实施方式中，调用与整数线性规划分离的方法，该方法首先基于该确定的分配来形成装配线的装备群组并且接着形成关于所有装配线110的确定的装备群组之和。
在又一种实施方式中，该标准可以包括遵守预先确定的条件。所述条件例如可以包括：每个装配线110的装备群组的数目大于或者小于预先确定的阈值，其中所述阈值可以分别单独地分配给装配线110。如果该条件被满足，则该标准可以被设置为第一预先确定的值，否则被设置为第二预先确定的值。这样可以防止：当条件不满足时，分配被接受。在另外的实施方式中，作为条件还可以要求：在每个装配线110的装备群组数目之间的差别处于预先确定的阈值之下。该阈值尤其是可以为零。在一种变型方案中，所述差别也可以量化地作为标准来表达，使得该方法300可以执行在该标准方面的优化。
在另外的实施方式中，该标准可以由多个单个标准组成，这些单个标准可以在使用权重系数的情况下相加或者相乘为一个总标准。例如上述标准中的一个或多个的单个标准可以涉及装配自动机130的负荷度、固定台140与可变台145的比例或者装配自动机130的负荷度。
步骤325：之后检查：是否达到了预先确定的中断标准。如果步骤320的标准或总标准已经达到了预先确定的阈值，则满足中断标准。当针对方法300已经经过了预先确定的确定时间时，也可以中断该分配。由此可以阻止该分配的无穷优化。
步骤330：如果满足中断标准，则输出确定的分配。
步骤335：否则，可以在确定的分配中选择出应当被进一步优化的分配。例如，如果较早的分配具有更好的标准或总标准，则最后确定的分配可以为了在先前过程中确定的分配而被放弃。
步骤340：在该情况下，可以将当前分配设置为要优化的分配并且该方法300可以从步骤310起重新进行。如果选择出多个可优化的分配，则该方法300也可以相应地多重并行地分支。
数学背景
通过使用准确的数学方法，能获得比迄今在实际中使用的启发法明显更好的解。在与此的进一步区别中，用本方法也可以实现良好的生产时间。
在将印制电路板120或组件分配给装配线110时要注意：由于技术限制而不能在每个装配线110上制造每个印制电路板120。这些印制电路板在装配线110上大多也具有不同的生产时间。此外，装配线110的最大生产时间容限不允许被超过。
在将印制电路板120分配到装配线110上时，通常追求下面的目标：
- 应当能够利用固定台140制造尽可能多的印制电路板120，以便减少改换装备的花费
- 在装配线110上的装备群组（簇）的数目应当尽可能小，以便减少时间上的改换装备花费
- 希望需要尽可能少的装备设备（例如运送器150）
- 用于印制电路板120的总生产时间应当尽可能最小。
人们常常尝试通过以下方式去实现这些目标，即：力求装配线110的印制电路板120的尽可能高的元件覆盖，或者说将装配线110的元器件差异之和最小化。
为了确定印制电路板120在装配线110上的优化的分配使用了IP模型（IP代表整数规划或者整数优化模型）。该确定可以借助已知的标准求解程序来执行。
索引
L 系统100的SMT装配线110的集合
R 印制电路板120的集合
C 元器件类型155的集合
Rc 元器件类型c的印制电路板的集合
Rl 线l上的可装配印制电路板的集合
参数
Timer,l 在线l上的印制电路板r的总生产时间
TimeLimitl线l上的生产时间极限
二元变量
Assignr,l 印制电路板r向线l的分配
Setupc,l 在线l上的元器件c的使用
IP公式
s.t.:
为了改善印制电路板120向装配线110的分配可以给求解程序提供条件。这些提供的条件目标在于：执行印制电路板120向装配线110的分配的优化，使得装配系统100的所有装配线110的装备群组数目之和被最小化。
通过应用该规定，可以得到印制电路板120在装配线110上的改善的分布，其中可以得到装备群组的平衡的大小。该装配系统100可以由此以改善的效率或负荷来运行。此外，用所描述的方案借助IP求解程序可以比迄今已知更快地确定所述分配。
尽管本发明通过优选实施例被进一步详细地说明和描述，但是本发明却不限于公开的例子，并且其他变型可以由技术人员由此推导出，而不离开本发明的保护范围。
Claims (9)
1.用于将印制电路板（120）分配到用于用电子元件（155）装配印制电路板（120）的装配系统（100）的装配线（110）的方法（200），其中该方法（200）包括下面的步骤：
检测（205）分别用分配的元件（155）来装配多个印制电路板（120）的要求；
借助整数线性规划在预先确定的规定下将印制电路板（120）分配（315）给装配线（110）；
基于该分配确定（325）装配线的装备群组；
重新分配（315），直至标准达到预先确定的阈值，
其中该标准基于装配线（110）的装备群组数目加以形成。
2.根据权利要求1所述的方法（200），其中，该标准包括条件：每个装配线（110）的装备群组数目大于预先确定的阈值。
3.根据上述权利要求之一所述的方法（200），其中，该标准包括条件：每个装配线（110）的装备群组数目小于预先确定的阈值。
4.根据权利要求2或3之一所述的方法（200），其中，所述预先确定的阈值之一能够单独地针对装配线（110）至少之一来加以预先确定。
5.根据上述权利要求之一所述的方法（200），其中，该标准包括条件：在每个装配线（110）的装备群组数目之间的差别处于预先确定的阈值之下。
6.根据上述权利要求之一所述的方法（200），其中，如果将小数目的印制电路板（120）或小的路径消耗指配给一个装备群组，则阻止该装备群组的印制电路板（120）向装配线（110）的分配。
7.根据上述权利要求之一所述的方法（200），其中如果装备群组被指配了高数目的印制电路板（120）或者高的路径消耗，则阻止该装备群组的印制电路板（120）向装配线（110）的分配的改变。
8.带有程序代码装置的计算机程序产品，用于当所述计算机程序产品在实施装置（115）上运行或者在计算机可读介质上存储时，执行根据上述权利要求之一所述的方法（200）。
9.用于将印制电路板（120）分配至装配系统的装配线（110）的控制装置（115），其中该控制装置（115）被设立用于：
检测分别用分配的元件（155）来装配多个印制电路板（120）的要求；以及
借助整数线性规划在给定的规定下将印制电路板（120）分配（315）给装配线（110）；
基于该分配确定装配线（110）的装备群组；以及
进行重新分配（325），直至标准达到预先确定的阈值，
其中该标准基于装配线（110）的装备群组数目加以形成。
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